Міністерство освіти і науки України

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

КОРІНЬКО Іван Васильович

кандидат технічних наук

УДК 65.05+628.23

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РОЗРОБКА
ОРГАНІЗАЦІЙНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ РІШЕНЬ, ЩО ПІДВИЩУЮТЬ ЕКСПЛУАТАЦІЙНУ ДОВГОВІЧНІСТЬ СИСТЕМ ВОДОВІДВЕДЕННЯ

05.23.08 – технологія і організація промислового та цивільного будівництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | ­ доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Гончаренко Дмитро Федорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти: | ­ доктор технічних наук, професор Снісаренко Володимир Іванович, Науково-дослідний інститут будівельного виробництва Державного комітету України з будівництва та архітектури, завідувач лабораторії інженерних споруд і спеціальних будівельних робіт;

­ доктор технічних наук, професор Чернявський Вячеслав Леонідович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізико-хімічної механіки та технології будівельних матеріалів та виробів;

­ доктор технічних наук, професор Черненко Віталій Костянтинович, Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри технології будівельного виробництва.

Провідна установа – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 10 березня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.01 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий 29 січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 64.056.01, к.т.н., професор Е.М. Кутовий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Система водовідведення – одна з найважливіших частин інфраструктури міст, необхідна для будь-якого цивілізованого суспільства. Досвід багатьох десятиліть показує, що водовідвідним системам неможливо знайти альтернативу, хоча часто їм приділяється невелике значення, тому що вони сховані під землею і привертають увагу, лише коли на них виникають аварійні ситуації. При цьому в загальній сумі витрат на весь комплекс структур, призначених для забезпечення життєдіяльності людини, частка витрат на каналізаційні системи дуже велика.

На відміну від інших систем, таких як, тепло-, водо-, газопостачання, які можна тимчасово вивести з експлуатації у разі аварії, неполадок або необхідності проведення профілактичних робіт, із системами каналізації це зробити майже неможливо.

Довговічність конструкцій мереж каналізації можна вважати пропорційною вартості їхнього зведення: чим більш тривалий період служіння закладається в проект, тим більше потрібно капіталовкладень. Вартість експлуатації, ремонту і відновлення каналізаційних мереж – одна з важливих проблем будівельної галузі. З огляду на те, що трубопроводи і колектори знаходяться під землею, іноді на значній глибині їхнє інспектування і ремонт пов'язані з великими труднощами і значними витратами. Як показує досвід України і інших країн СНД, будівництво мереж водовідведення та їх експлуатація часто недостатньо погоджені: проектувальники і будівельники, керуючись виключно економічними критеріями на стадії початкових капіталовкладень, не враховують тих великих витрат, що вимагають обслуговування, ремонт і відновлення цих мереж.

Значна частина побудованих у післявоєнні роки каналізаційних мереж міст і селищ України в даний час цілком вичерпали свій амортизаційний ресурс. Будувалися вони у вигляді трубопроводів великого діаметра, в основному в післявоєнні роки з бетону і залізобетону, які піддаються руйнуванню унаслідок впливу багатьох чинників і, в першу чергу, специфічної корозії, що є в більшості випадків причиною аварій каналізаційних систем.

Важливість проблеми підвищення надійності і тривалості періоду експлуатації наземних і підземних споруд підкреслена в Постанові Кабінету Міністрів України № 409 від 5 травня 1997 року “Про забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж”. Згідно з цією постановою підприємствам і організаціям України пропонувалося провести паспортизацію й обстеження об'єктів каналізаційних мереж. Однак з різних причин значна частина міських ділянок дотепер не паспортизирована і відомості про їхній стан відсутні.

В теперішній час питанням координації і науково-методичного забезпечення робіт з визначення технічного стану, залишкового ресурсу і надійності конструкцій промислових об'єктів досить велику увагу приділяє НАН України. Відповідно до Постанови Президії НАН України № 258 від 27.09.2000 року створена Науково-координаційна й експертна рада, що займається розглядом цих питань. У 2000 році прийнято Постанову Кабінету Міністрів України № 1313 “Про затвердження Програми запобігання та реагування на надзвичайні ситуації техногенного і природного характеру на 2000 – 2005 роки”. У 2001 році прийнятий Закон України “Про об'єкти підвищеної небезпеки”. 2002 року вийшла Постанова Президії НАН України № 69 “Про удосконалення структури Науково-координаційної та експертної ради з питань ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин при Президії НАН України”. У 2002 році була створена Регіональна програма з ресурсів при Харківській облдержадміністрації.

Незважаючи на вжиті в останні роки заходи для забезпечення надійності експлуатації будівель та споруд, включаючи комунікаційні мережі, ще дуже багато завдань підвищення експлуатаційної надійності підземних комунікацій, у тому числі і систем водовідведення, чекають свого рішення, що безумовно підтверджує актуальність теми досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках роботи Науково-координаційної й експертної ради з питань ресурсів і безпеки експлуатації конструкцій будівель і машин при Президії Національної Академії наук України, а автор роботи є членом секції “Житлові комплекси та об'єкти комунального господарства” цієї ради, у рамках “Державної програми забезпечення технологічної безпеки для основних галузей економіки України, її наукового супроводу, можливих джерел фінансування”, розробленої згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.97 р. “Про забезпечення надійності і безпеки експлуатації будинків, споруд і інженерних мереж” і Постанови НАН України №69 від 27.03.2003р.

Дисертаційна робота має зв'язок з науковими дослідженнями, що виконуються на кафедрі технології будівельного виробництва ХДТУБА, а її автор був співвиконавцем держбюджетних тем “Розробка методів відновлення конструкцій каналізаційних мереж промислових центрів України” (Держ. реєстр №019Z009995); “Розробка організаційно-технологічних і технічних рішень по ліквідації аварій на підземних комунікаціях” (Держ. реєстр №0100U000219); є співвиконавцем держбюджетної теми “Технологія забезпечення експлуатаційної надійності систем водовідведення” (Держ. реєстр №0103U003446).

Науковою гіпотезою є припущення про необхідність розробки теоретичних основ, технологічних, організаційних і конструкційних рішень, кінцевим результатом яких, з екологічної й економічної точок зору, має бути розв’язання важливої народногосподарської проблеми – забезпечення експлуатаційної надійності мереж водовідведення.

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування та розробка технологічних і організаційних рішень, що дають змогу в результаті їхнього комплексного застосування підвищити довговічність об’єктів мереж водовідведення.

Для досягнення мети були поставлені і вирішуються такі задачі:

­ дослідження та розробка теоретичних основ експлуатаційної довговічності мереж водовідведення;

­ аналіз методів діагностики і стану мереж водовідведення й умов їхньої експлуатації;

­ комплексне дослідження чинників, що впливають на довговічність об’єктів мереж водовідведення;

­ розробка методики прогнозування аварійного стану мереж водовідведення;

­ розробка методів визначення граничного експлуатаційного стану і правил прийняття рішення щодо зносу каналізаційних трубопроводів і колекторів;

­ розробка методичних основ просторового моделювання систем водовідведення і побудова класифікації мереж за ступенем руйнування будівельних конструкцій;

­ розробка принципів вибору методів ремонту і відновлення мереж водовідведення;

­ розробка технологічних, організаційних і технічних рішень, що підвищують експлуатаційну довговічність мереж водовідведення.

Об'єкт дослідження – технологічні процеси ремонту і відновлення систем водовідведення.

Предмет дослідження – технологічні й організаційні параметри процесів ремонту і відновлення систем водовідведення.

Методи досліджень: бібліографічний аналіз, натурне обстеження, лабораторні дослідження, імовірно-статистичний та кореляційно-регресивний методи; системний аналіз, числовий експеримент, імітаційне моделювання, операційні дослідження, метод Герца, дослідження з застосуванням геоінформаційних систем.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.

Сформульовано наукові принципи і досліджені теоретичні основи довговічності систем водовідведення, їх стан і умови експлуатації, нормативна база проектування, будівництва і експлуатації, розрахована на необхідність гармонізації з Європейськими нормативними документами.

Виконане комплексне дослідження і аналіз устаткування та методів діагностики стану каналізаційних мереж, а також чинників, що впливають на довговічність конструкцій, підтверджує, що головним серед чинників руйнування конструкцій мереж є специфічна корозія, як результат мікробіологічних і хімічних процесів. В результаті виконаних теоретичних, експериментальних досліджень визначено, що руйнування склепінь в каналізаційних мережах головним чином зумовлене впливом двох агресивних середовищ: газоподібного і рідинного (плівкової конденсатної вологи), що сформовані в основному продуктами мікробного метаболізму.

Розроблено методичні основи прогнозування аварійності на мережах водовідведення, що ґрунтуються на статистичних даних про аварії на діючих мережах та про період їхньої експлуатації, із застосуванням математичних моделей у вигляді розподілу Вейбула та Герца, яка дозволяє з визначеною імовірністю прогнозувати аварійність мереж водовідведення.

Запропоновано методику розрахунку граничного стану каналізаційних залізобетонних трубопроводів та колекторів, пошкоджених у процесі експлуатації, яка дає змогу за допомогою програмних комплексів "Міраж", "Ліра" SCAD для Windows встановлювати граничний стан зношених конструкцій. Методика дає можливість визначати спричинені корозією зміни згинаючих моментів і повздовжніх сил як в абсолютних величинах, так й у відсотковому вираженні і таким чином дає цінну інформацію про несучу здібність склепіння трубопроводу або колектора. Вперше установлено, що руйнування трубопроводів і колекторів відбувається за величини корозії склепіння, що дорівнює ?0,7.

Уперше розроблено методичні основи просторового моделювання мереж водовідведення, які дозволяють створити систему, що класифікує мережі водовідведення залежно від їх стану, визначати категорійність ділянок мереж і виявляти їх пріоритетність щодо виконання на них ремонтно-відновлювальних робіт. На основі системи класифікації стану трубопроводів розроблено науково обґрунтовані рекомендації, призначені для вибору засобів ремонту і відновлення мереж.

Розроблено і удосконалено технологію і організацію ремонтно-відновлювальних робіт у прохідних, напівпровідних і непрохідних каналізаційних трубопроводах, в основі яких лежить зведення комбінованих монолітних і монолітно-збірних вторинних облицювань з матеріалів вітчизняного виробництва, що дозволяє за мінімальної тривалості робіт і мінімальної їх вартості підвищити довговічність мереж.

Практична значимість отриманих результатів полягає в розробці комплексу технологічних, організаційних і технічних заходів при ремонтно-відновлювальних роботах на каналізаційних мережах, що підвищують експлуатаційну придатність останніх.

У роботі викладено основні положення, сукупність яких визначає перспективний напрямок досліджень і розробок методів відновлення несучої здатності та довговічності каналізаційних трубопроводів і колекторів.

Практичне значення полягає у розробці економічних і екологічно ефективних конструкцій вторинних комбінованих обробок в трубопроводах та колекторах діаметром від 0,6 до 5,0 м, методів їх зведення в різних інженерно-геологічних умовах, а також пристроїв для виконання цих розробок.

Для закритого способу відновлення каналізаційних міні- та мікро-тунелів розроблено методи зведення комбінованих обробок із монолітного, монолітно-пресованого та збірного бетону.

Для відкритого способу відновлення трубопроводів розроблено механізований комплекс який забезпечує тимчасове кріплення стін траншеї і здатний знижувати рівень ґрунтових вод під час виконання ремонтно-відновлювальних робіт в водонасичених ґрунтах.

Для відключення мереж із стічними водами при аварійних ситуаціях розроблено інвентарний мобільний пристрій із м'яких оболонок.

Розроблені і удосконалені технології, методичні пропозиції та рекомендації, устаткування і технологічне оснащення впроваджено в ДКП “Харківкомуночиствод”.

У ДКП “Харківкомуночиствод” під керівництвом і за особистою участю автора впроваджені: методика прогнозування аварій на мережах каналізації, методика визначення граничного стану каналізаційних трубопроводів, система просторового моделювання мереж водовідведення, технологічні рішення ремонту й відновлення каналізаційних трубопроводів різного діаметра, оглядових шахт і колодязів.

Практична значущість результатів досліджень підтверджується одержаними патентами України, а також матеріалами, що ввійшли до нового розділу “Захист систем та споруд каналізації від біологічної та хімічної корозії”, до СНиП 2.04.03-85 - Канализация, наружные сети и сооружения.

Особистий внесок автора полягає в наступному.

Автором науково обґрунтовано і розроблено технологічні, організаційні і технічні рішення, комплексне використання яких підвищує довговічність мереж водовідведення.

Проведено комплексне дослідження стану мереж водовідведення, методів діагностики і методичного забезпечення прогнозування аварійності трубопроводів і визначення їхнього граничного стану.

Розроблено концептуальні основи просторового моделювання систем водовідведення для визначення категорійності їхнього стану і вибору методів ремонту і відновлення залежно від зносу.

Усі положення і результати, що виносяться на захист, здобуто автором самостійно. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать такі рішення:

- технологічні рішення щодо ремонту шахтних стволів на мережах глибокого закладення [2, 5, 15];

- залізобетонні труби, облицьовані усередині керамічними виробами, та їх розрахунок [21, 26, 64];

- використання поліетилену при ремонті мереж методом вставок та технологія робіт [2, 12, 14, 24];

- застосування вітчизняних керамічних виробів для ремонту мереж каналізації [2, 21];

- технологія робіт з ліквідації аварій на каналізаційних мережах [18, 23, 25];

- технологічне рішення та принцип роботи затворного пристрою у разі перекриття каналізаційного трубопроводу [6, 8, 63];

- способи подачі дрібнозернистого бетону в міжтрубний зазор при застосуванні методу вставок [52, 64, 65];

- метод аерації для зниження впливу сульфатної редукції [60];

- конструкція шаблона-сопла для виконання технологічного процесу заповнення міжтрубного зазору бетоном [65];

- методика визначення стану агресивності експлуатаційного середовища по значенню рН [61];

- метод визначення стану трубопроводу при корозії бетону і арматури[36];

- аналіз умов створення агресивного середовища [11];

- аналіз будівельних матеріалів для їх застосування при ремонті каналізаційних мереж [29];

- використання геоінформаційних систем при просторовому моделюванні мереж[41].

Апробація результатів роботи. Результати досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва й архітектури в 1998–2003 р., науково-технічних конференціях Харківської державної академії міського господарства в 1999–2003 р., на науковій конференції “Інформаційні й енергозберігаючі технології для трубопровідних систем енергетики” (Івано-Франківськ, 1997 р.), на 5-ій українській науково-технічній конференції “Застосування пластмас у будівництві та міському господарстві” (Харків, 2000 р.), на VIII Міжнародної конференції “Екологія і здоров'я людини” (Щелкино, Крим, 2000 р.), на III Міжнародній виставці-конференції “Вода 2000” (Одеса, 2000 р.), на Міжнародних конгресах “ЕТЕВК” (Ялта, 2001, 2003 р.), на Міжнародному конгресі “ЕКВАТЕК” (Москва, 2000, 2002 р.), на міжнародній конференції “Ресурси і безпека експлуатації конструкцій будівель і споруд” (м. Харків. 2003 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 4 монографіях, 57 публікаціях, з яких 33 – фахових виданнях ВАК України, а також у 8 патентах України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація викладена на 414 сторінках основної частини тексту і складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 324 найменувань, містить 44 таблиці і 76 рисунків і додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено аналітичний огляд результатів досліджень з проблеми підвищення довговічності систем водовідведення.

Теоретичні основи та практичні розробки цього важливого напряму розглянуті в наукових дослідженнях Абрамовича І.О., Бабаєва В.М., Бабушкіна В.І., Болотських М.С., Бочевера Ф.М., Дрозда Г.Я., Дюженка М.Г., Гончаренка Д.Ф., Коваленка О.М., Клейна Ю.Б., Коваленко А.В., Кірюшина В.М., Санкова Г.О., Орлова В.А., Харькіна В.А., Храменкова С.В., Чернявського В.Л., Д. Штайна та ін. Дослідження експлуатаційної придатності систем водовідведення показали, що протягом багатьох років практика будівництва інженерних комунікацій ґрунтувалася на нормативній базі, основним принципом якої були вимоги мінімізації капітальних затрат і вартості будівельно-монтажних робіт. При цьому не враховувались вимоги надійності застосовуваних матеріалів, умови експлуатації мереж і організаційно-технічні можливості організацій, що їх експлуатують.

У розділі проаналізовані наукові праці, у яких розглядаються теоретичні та практичні обґрунтування термінів експлуатації мереж водовідведення. Відсутність нормативів на терміни функціонування мереж вимушує при їх визначенні користуватися нормами амортизаційних відрахувань, які за роки незалежності України не змінювались. Слід відзначити, що аналогічний стан цього питання ми можемо спостерігати і у високорозвинених країнах Європи. У розділі розглянуті методологічні основи визначення експлуатаційної надійності мереж водовідведення, підхід до цієї проблеми науковців України та інших країн. В результаті розгляду питань ремонту і відновлення мереж як форми підвищення експлуатаційної довговічності, в роботі виконано аналіз термінологічного тлумачення понять, які належать до проблеми підвищення довговічності. Результати цих досліджень показали необхідність гармонізації вітчизняних норм і зокрема термінів з відповідними документами, що впроваджуються в країнах Євросоюзу. Це передусім стосується таких понять, як ремонт, відновлення, санація та ін. Особливу увагу в дослідженнях, по яких проведено аналіз, приділено безтраншейним методам ремонту та відновлення мереж водовідведення.

У другому розділі розглянуто історію розвитку систем водовідведення на різних етапах розвитку людства. Як показують дослідження, протягом багатьох тисячоліть були збудовані мережі, які зберігаються до наших днів, що є свідоцтвом їхньої високої довговічності.

Проведено аналіз конструктивних рішень мереж водовідведення, основних матеріалів для їх будівництва, якими останніми десятиріччями були бетон та залізобетон. У процесі розгляду умов експлуатації каналізаційних мереж в містах України визначено, що вони розташовані в ґрунтах, які мають різні характеристики, в тому числі значна частина із них повзучі, насичені ґрунтовими водами, мають у своєму складі хімічні елементи, які впливають на надійність експлуатації мереж.

У розділі наведено приклади умов експлуатації мереж водовідведення в найбільших містах України. Аналітичний огляд стану систем водовідведення є свідоцтвом того, що значна частина тунелів і трубопроводів відпрацювала свій амортизаційний ресурс і перебуває в передаварійному стані. Кількість аварій на 1 км мереж в останні роки виросла в середньому по Україні і значно перевищує цей показник у країнах Європи.

У даному розділі розглянуто приклади стану мереж в різних містах, а також причини аварій, що виникають час від часу. Наведені дані про стан мереж водовідведення в інших країнах, у тому числі в Росії та Німеччині свідчать про те, що в цих країнах існують аналогічні проблеми і необхідно враховувати досвід цих країн при їх розв’язанні.

У третьому розділі досліджено чинники, що впливають на експлуатаційну придатність мереж водовідведення.

Особливе значення для оцінки стану мереж водовідведення має інспекція трубопроводів і колекторів. У роботі виконано класифікацію методів підготовки до інспектування, а також методи інспектування. З участю автора в Харкові створена і працює оснащена телекамерами діагностична лабораторія, яка дає можливість проводити огляд мереж водовідведення.

Розгляд причин руйнації конструкцій мереж водовідведення дав змогу визначити, що основною причиною руйнації є корозія бетону. На конструкції склепінної частини каналізаційних трубопроводів впливають два агресивних експлуатаційних середовища: газоподібне (атмосфера підсклепінного простору) і рідка (плівкова конденсатна волога), хімічний склад яких установлено в мережах водовідведення Харкова та інших міст (табл. 1). Утворення газоподібних корозійно активних сполук – сірководню (H2S), диметилсульфіду (ДМС), вуглекислого газу (CO2), оксидів азоту (NO)x, аміаку (NH3) та ін. - зумовлено спонтанними мікробіологічними процесами, що призводять до розщеплення органічних і неорганічних забруднень у стічних водах, які транспортуються.

Таблиця 1

Хімічний склад атмосфери підсклепінного простору

Сполуки | Одиниці вимірювання концентрації | Концентрація в газових викидах | Гранично допустима концентрація (ГДК)

H2S | мг/м3 | 0 – 100 | 10*

ДМС | мг/м3 | (1 – 4) 10–4 | 9 10–6**

SO2 | мг/м3 | 5 – 30 | 20*

NH3 | мг/м3 | 0 – 0,5 | 20*

NOx | мг/м3 | 0 – 5 | 5*

CO | мг/м3 | 0 – 25 | 20*

CO2 | Об’ємні % | 0,1 – 3,5 | 0,5*

CH4 | Об’ємні % | 0,2 – 6,0 | 2,0*

* – ГДК у робочій зоні, ** – ГДК населених місць.

Концентрація більшості з перелічених газоподібних сполук в атмосфері підсклепіневого простору, а, отже, й у викидах з мереж в атмосферу прилеглих міських регіонів, значно перевищує не тільки ГДК для населених місць, але й ГДК для робочої зони.

Газоподібні сполуки, розчиняючись у плівковій конденсатній волозі на поверхні склепіневої частини колектора, ініціюють розвиток бактерій, що утворюють сильні неорганічні кислоти, головним чином, тіобацил, які окислюють відновлені сполуки сірки до сірчаної кислоти.

У результаті цих процесів рідина, що створює плівку на поверхні бетону перетворюється на багатокомпонентну надзвичайно агресивну суміш з низьким значенням pH, яка активно взаємодіє з компонентами бетону (головним чином, з цементними гідратами). Її можна розглядати як ще одне рідке експлуатаційне середовище в каналізаційних трубопроводах.

Хімічний склад плівкової конденсатної вологи, що формується в наслідок взаємодії мікробних метаболітів з бетоном, варіює залежно від глибини ураження бетону корозійним процесом. Оцінюючи агресивність цього експлуатаційного середовища, необхідно враховувати не тільки його лужність (кислотність), але й вміст солей, який залежить від pH середовища. При розвитку асоціації тіобацил та руйнуванні бетону концентрація солей (головним чином сульфатів) в конденсатній волозі зростає і при pH рідинної компоненти бетону більше двох їх концентрація перевищує 60 г/дм3 (табл. 2). Згідно з діючим розділом СНиП 2.03.11–85 середовище з такими характеристиками солевмісту є дуже агресивним щодо бетону.

Таблиця 2

Хімічні та мікробіологічні характеристики плівкової конденсатної вологи

pH бетону | Концентрація тіобацил,

кл/г бетону | pH плівкової конденсатної вологи | Солевміст (розрахований за іонами, що контролювали), г/дм3 | Хімічне споживання кисню (ХСК), г/дм3

12,3 | 10 | 12,8 | ~1,0 | 0

8,6 | 1,7·104 | 7,0 | ~10,0 | 0,1

4,2 | 1,9·106 | 2,8 | ~30, | 0,9

1,5 | 2,8·108 | 0,5 | ~60,0 | 1,5

У цьому розділі виконано аналіз найбільш поширених на цей час як на Україні, так і за кордоном методів ремонту і відновлення трубопроводів та колекторів. Особливої уваги заслуговують закриті методи ремонту і відновлення, які є більш ефективними з екологічної точки зору.

У четвертому розділі для розробки методики прогнозування аварійності мереж водовідведення запропоновано вірогідний підхід до розв’язання цієї проблеми з урахуванням граничних станів. У процесі аналізу статистичних даних визначено, що розподіл довговічності трубопроводів підкоряється закону Герца. Параметри розподілу при цьому знаходять, відповідно до набору статистичних даних або даних, здобутих шляхом опитування експертів (рис. 1).

Запропонований метод ґрунтується на дослідженні хронології руйнування Орджонікідзевського колектора Харкова і показав задовільні результати.

У розділі розроблено методику визначення граничного стану і зносу залізобетонних труб у ґрунті від корозійної поразки у верхній, необводненій частині труби. Корозія, що там виникла, має глобальний характер, пов’язаний з поступовим зменшенням товщі бетонної стінки труби і таким же зменшенням діаметра арматури, що напружується (рис. 2).

Унаслідок зменшення міцністних характеристик бетону й арматури і загального зниження жорскістних параметрів труби відбувається обвалення ослабленої ділянки трубопроводу. Трубопровід при цьому виходить з режиму нормальної експлуатації.

Рис. 1. Розподіл довговічності трубопроводів за законом Герца

Рис. 2. Схема корозії труби

Визначення граничного стану ускладнено прокладкою труб у дисперсному середовищі, яке становлять ґрунти різної щільності, вологості, пористості і складу. Трубопровід взаємодіє з навколишнім ґрунтом. Ґрунт, з одного боку, виступає як навантаження на трубу, з іншого – як елемент, що перешкоджає розвитку деформації труби. Ця взаємодія має нелінійний характер і залежить від виду ґрунту, у якому проходить трубопровід, від глибини його закладення, від геологічних умов місцевості, а також від жорскістних характеристик самих труб.

Зменшення товщини труби у верхній частині трубопроводу зменшує згинальну міцність труби. Це призводить до зниження її несучої здатності і діючих зусиль у трубі в цих місцях через перерозподіл зусиль між ділянками з різними жорскістями. У зв'язку з цим граничний стан труби можна визначити тільки шляхом зіставлення зусиль, які виникають у стінках труби з урахуванням корозії від навантаження, що передається з боку ґрунту, із граничним зусиллям для цієї ж стінки, обчисленим для залізобетонного чи бетонного елемента.

Для визначення зусиль у трубі при корозії прийняті такі розрахункові схеми (рис. 3):

­ для ґрунту – нескінченна напівплощина в умовах плоскої деформації;

­ для трубопроводу – кільцева рама.

Жорскістні характеристики встановлюються з урахуванням корозії. Висота елемента кільця у верхній частині визначається виразом

h = H0 (1–cos б),

де H0 – номінальна товщина труби;

k – величина ступеня корозії 0 ? k =0,9;

б – координата перетину кільця (рис. 2).

Поперечний переріз арматури у верхній частині

As = (1–k cos б),

де – проектне значення поперечного перерізу арматури.

Гранична несуча здатність поперечного перерізу труби визначається як для бетонного стиснуто-зігнутого елемента з прямокутним поперечним перерізом, що має попереднє обтиснення. Арматура у верхній частині труби, де виникають позитивні згинальні моменти і зменшується несуча здатність перетину, потрапляє у стиснуту зону поперечного перерізу, тому руйнування походить від розтягання внутрішньої, неармованої частини поперечного перерізу.

Вираз для граничних сполучень зусиль у верхній частині труби, підданої корозії, можна подати в такому вигляді:

,

де As – площа кільцевої поперечної арматури, що припадає на 1 м труби, м2;

Rs – розрахункові опори кільцевої арматури;

N, M – зусилля, що діють у верхній частині труби, що обчислені розрахунком;

б – коефіцієнт, прийнятий таким, що дорівнює одиниці;

k – величина корозії, 0 ? k = 1;

з – коефіцієнт, прийнятий таким, що дорівнює одиниці;

H – номінальна проектна товщина стіни труби, мм;

ц – коефіцієнт, прийнятий таким, що дорівнює 0,8;

b – ширина кільця, яка дорівнює 1 м.

Ліва частина співвідношення (3) – це показник граничного стану стінки труби. Якщо цей показник більший від нуля, руйнування не відбувається, якщо він менший за нуль, то відбувається руйнування бетону.

Для визначення граничного стану зносу залізобетонних труб у ґрунті пропонується такий алгоритм розрахунку:

1. За допомогою програмних комплексів “Міраж”, “Ліра”, SCAD для Windows моделюють плоску деформацію ґрунтового масиву.

2. Трубу в ґрунтовому масиві моделюють кільцевою рамою з прямокутним поперечним перерізом; приймається кінцевий елемент плоскої рами. Висота поперечного перерізу береться за формулою (1).

3. Використовується симетрія системи за вертикальною координатою z, що проходить через центр ваги труби (рис. 3).

4. Граничні умови: по низу масиву W=0; по бічних сторонах U=0.

5. Навантаження – власна вага ґрунту, труби і рідини в трубі.

6. Роблять розрахунок моделі для декількох значень величини корозії. Визначають згинальні моменти і подовжні сили в елементах кільцевої рами при б=0 і б=18 як найбільш піддані корозії.

7. Здобути значення підставляють у співвідношення (3) і визначають показник граничного стану. Якщо він менший за нуль, то труба перебуває у граничному стані і знос відповідає 100 %.

8. При відомій величині корозії знос труби визначають за формулою

,

де Птр(0) – величина показника граничного стану при нульовій корозії;

Птр(к) – величина показника граничного стану при даній корозії.

Виконано розрахунки граничного стану залізобетонних труб ТН 60–II і ТН 160–III, підданих корозії.

На рис. 4 наведено графік зміни показника граничного стану стінки труби від величини корозії. Перехід цього показника через нуль відповідає моменту руйнування труби. Таким чином, величина граничної корозії для труби ТН 60–II складає близько 0,75.

Тенденція в характері зміни згинальних моментів і подовжніх сил від корозії бетону й арматури для труби ТН 160–III зберігається такою самою, як і для труби ТН 60–II. На рис. 5 наведено графік для обчислення значення величини корозії на момент руйнування стінки труби. Руйнування труби відбувається за величини корозії, що дорівнює приблизно 0,7.

Рис. 3. Розрахункова схема ґрунтового масиву з трубою ТН 160–II (використана симетрія по осі Z)

Рис. 4. Визначення граничної величини корозії залізобетонної труби ТН 60-II

Рис. 5. Визначення граничного стану залізобетонної труби ТН160-III при корозії

П’ятий розділ присвячено створенню інформаційної системи, яка дозволяє автоматизувати процес аналізу стану та класифікації об’єктів водопровідних мереж. Створене програмне забезпечення зорієнтоване на рішення таких завдань, як: збирання і систематизація даних, пов’язаних зі станом об’єктів каналізаційної мережі; автоматична класифікація та аналіз стану каналізаційних мереж на основі існуючих даних (рис. 6).

Система, об’єднана з ГІС каналізаційних систем населеного пункту, дозволяє вирішувати не тільки завдання, пов’язані з надійною та безпечною експлуатацією об’єктів водовідведення населеного пункту, але й завдання містобудівництва, планування стану оточуючого середовища, підземного будівництва і т.п.

Даний програмний продукт може успішно використовуватися службами водовідведення для збирання та зберігання даних, а також для створення пріоритеного списку об’єктів ремонту водовідвідної мережі. Впровадження програми не потребує великих затрат.

В основі програмного продукту лежить методика, яка дає змогу врахувати різноманітні характеристики (гідравлічні, конструктивні та ін.) для проведення класифікації та аналізу мереж водовідведення.

Розроблена система дозволяє створити документаційні дані про систему технологічних даних.

Інформаційна система включає в себе такі частини:

1. Базу даних, до якої входять різноманітні характеристики і параметри об’єктів водовідвідної мережі.

2. Базу знань для класифікації пошкоджень, яка містить правила визначення класу стану пошкоджених ділянок мереж.

Рис. 6. Інформаційна система автоматичної класифікації і аналізу стану об’єктів водовідвідних мереж “АСКО”

3. Базу знань для аналізу стану каналізаційних систем, яка містить правила, що враховують комплексні характеристики оцінки стану ділянок водопровідної мережі.

4. Управління системою даних, яка дає змогу керувати інформацією з банку даних та баз знань.

5. Систему візуалізації ділянок колектора, яка дозволяє в наочній формі представляти характеристики і стан ділянок каналізаційних мереж (візуальне представлення, фото- і відеозйомка і т.п).

У шостому розділі роботи з використанням накопиченого унікального досвіду проектування, будівництва і відновлення тунелів різного призначення запропоновано технології відновлення несучої здатності прохідних, напівпрохідних і непрохідних каналізаційних трубопроводів шляхом зведення комбінованих монолітних і монолітно-збірних вторинних оброблень (трубопроводів-вкладишів) з відносно недорогих матеріалів вітчизняного виробництва.

У розділі наведено основні положення, сукупність яких визначає новий перспективний напрям досліджень і розробки методів відновлення несучої здатності каналізаційних колекторів. Сутність основних положень наступна.

1. Каналізаційні мережі є протяжними підземними комунікаціями і мають розглядатися як тунелі, розділені за розмірами поперечного перерізу на три групи: тунелі (діаметром більшими за 2 м), мінітунелі (діаметр 1–2 м) і мікротунелі (діаметром меншими за 1м).

2. Тунельне оброблення і ланки труб трубопроводів – це постійна самонесуча конструкція, що закріплюе підземну виробку тунелю, мінітунелю, мікротунелю й утворюе її внутрішню поверхню.

3. Тунелі будуються закритим і відкритим способами різного призначення, різних розмірів поперечного перерізу та за будь-яких інженерно-геологічних умов закладення. Проте виробничий процес будівництва складається з двох основних технологічних процесів – проходки (чи розкриття котловану, траншеї) і зведення постійного оброблення.

4. Виробничий процес відновлення несучої здатності конструкцій постійного (первинного) оброблення тунелю (при закритому способі) являє собою один технологічний процес – зведення самонесучої вторинної як правило, бетонного чи залізобетонного оброблення, що зменшує розміри поперечного перерізу, але в припустимих межах. При цьому первинне оброблення є її складовою частиною.

5. Виробничий процес ліквідації локального обвалення конструкції постійного оброблення (і, як наслідок, завалу тунелю) складається не тільки з двох основних технологічних процесів – проходки завалу і зведення (але вже вторинної) оброблення, але й виконання додаткових спеціальних робіт із запобігання подальшим осіданням і небезпечним деформаціям наземних і підземних споруджень і комунікацій.

6. За своїм призначенням каналізаційні тунелі належать до гідротехнічних споруджень, і як гідротехнічні тунелі вони працюють не тільки в безнапірному, але й у напірному режимах і мають ушкодження, характерні для гідротехнічних тунелів. Однак каналізаційні тунелі (а також міні- і мікротунелі), на відміну від гідротехнічних, служать для відведення стічних вод, що руйнівно діють на поверхню бетону (біологічний чинник).

7. Вибір способу планового відновлення несучої здатності і захисту поверхні оброблення варто робити за критерієм мінімальної вартості, але з урахуванням мінімальної тривалості робіт. Тобто критерієм вибору способу ліквідації аварії є мінімальна тривалість, але з урахуванням мінімальної вартості.

Відповідно до основних положень розроблено методи закритого і відкритого способів відновлювальних робіт, що відзначаються новизною.

За результатами досліджень рекомендується як основний несучий будівельний матеріал у конструкціях вторинних оброблень використовувати традиційний і недорогий бетон (фібробетон, залізобетон), а як захисне облицювання – керамічні плитки на епоксидному клеї або тонкостінні ребристі поліетиленові листи. Залежно від виду облицювального (захисного) матеріалу вторинні комбіновані оброблення можуть бути з бетонокераміки, бетонополіетилену і бетонокерамікополіетилену. Ці комбіновані вторинні оброблення призначені насамперед для відновлення несучої здатності первинних конструкцій каналізаційних мереж, а захисне покриття поверхні бетону залежить від причин руйнування конструкції.

Розробка конструкцій вторинних оброблень тісно пов'язана з розробкою методів їх зведення і розробкою додаткових пристроїв для здійснення цих методів.

Усі розроблені конструкції і методи зведення класифіковано за розмірами поперечного перерізу, композиційними матеріалами комбінованих вторинних оброблень і методами їх зведення.

Для закритого способу відновлення каналізаційних мікро– і мінітунелів розроблено методи зведення вторинних комбінованих оброблень з монолітного, монолітно-пресованого або збірного бетону.

Вторинні оброблення з монолітного залізобетону не тільки відновлюють несучу здатність зруйнованого первинного оброблення, але й забезпечують роботу каналізаційних колекторів як у безнапірному, так і в напірному режимі.

Вторинні оброблення з монолітно-пресованого бетону і фібробетону в порівнянні з вторинними обробленнями з монолітного бетону мають меншу товщину, швидше набирають міцність, щільніше прилягають до контуру відновлюваних каналізаційних мікро– і мінітунелів і мають більш високу щільність і водонепроникність.

Вторинні оброблення з монолітно-збірного і збірно-монолітного бетону дозволяють використовувати технологічне устаткування, що виготовлене як у заводських умовах (збірні блоки, сегменти, кільця, труби), так і на місці відновлювальних робіт. Особливість збірного оброблення полягає в такому:

при зведенні монолітно-збірних вторинних оброблень збірні блоки, сегменти, кільця, труби використовують тільки як незнімну залізобетонну опалубку, облицьовану в заводських умовах керамікою чи поліетиленом;

при зведенні збірно-монолітних вторинних оброблень використовують самонесучі, облицьовані керамікою чи пластиком кільця або труби, що призначені для термінового відновлення ділянок, які перебувають в аварійному стані або мають локальні обвалення.

Для закритого способу ремонтно-відновлювальних робіт автором складено класифікацію конструкцій монолітних, монолітно-пресованих і збірних (монолітно-збірних і збірно-монолітних) комбінованих вторинних оброблень і запропоновано вісімнадцять основних методів відновлення несучої здатності каналізаційних мікро– та мінітунелів.

Як приклад у табл. 3 наведено конструкції монолітних вторинних оброблень і методи їхнього зведення й один (із шести) методів зведення монолітного армоцементнокерамічного вторинного оброблення діаметром 0,6–1 м (рис. 7).

Таблиця 3

Конструкції монолітних комбінованих вторинних оброблень і методи їхнього зведення

Вихідні дані,

D; h, м | Композиційні матеріали | Метод зведення | Композиційні матеріали | Метод зведення

2–5;

200–500 | 1. Сталева арматура

2. Бетон

3. Керамічна плитка на епоксидному бактерицидному клеї | Циклічне укладання бетонної суміші горизонтальними шарами

Ту.в > Тб.сум.

h=0,3 м | 1. Сталева арматура

2. Бетон

3. Ребристий поліетилен | Беззупинне укладання бетонної суміші похилими шарами

Ту.в > Тб.сум.

h=0,3 м

1–2;

100–200 | 1. Сталева арматура

2. Бетон

3. Керамічна плитка на епоксидному бактерицидному клеї | Циклічне укладання бетонної суміші горизонтальними шарами

Ту.в > Тб.сум.

h=0,3 м | 1. Сталева арматура

2. Бетон

3. Ребристий поліетилен | Безупинне укладання бетонної суміші похилими шарами

Ту.у > Тб.сум.

h=0,3 м

0,6–1;

75–100 | 1. Сталева арматура

2. Цементний камінь

3. Керамічна плитка на епоксидному бактерицидному клеї | Беззупинне укладання цементного розчину горизонтальними шарами

Ту.в > Тб.сум.

h=D | 1. Сталева арматура

2. Цементний камінь

3. Ребристий поліетилен | Безупинне укладання цементного розчину горизонтальними шарами

Ту.у > Тб.сум.

h=D

Примітка. D – діаметр; ? – відстань між колодязями, шахтними стовбурами; Ту.в. – укладальний вік бетонної суміші; Тб.сум. – тривалість укладання бетонної суміші; h – висота шару вібрування бетону.

Рис. 7. Метод зведення мікротунельного монолітного армоцементнокерамічного вторинного оброблення:

а – протягання армокерамічних труб зі стартового котловану; б – протягання рукава гідроопалубки-привантаження; в – цементація міжтрубного зазору; г – схема стикування армокерамічних труб.

Технологічна послідовність відновлення несучої здатності каналізаційного мікротунелю наступна.

До початку відбудовних робіт на заводі виготовляють безрозтрубні труби з дрібнозмірних керамічних плиток, склеєних епоксидним бактерицидним компаундом. Там же виготовляють трубчасті армокаркаси. Керамічні труби, вкладені в армокаркаси, транспортують на будівельний майданчик.

На будмайданчику (рис. 7, а) у стартовий котлован 1 опускають керамічну трубу 2 в армокаркасі 11 і протягають її лебідкою 3 у мікротунель, потім опускають другу трубу і стикують її з першою на стикувальному стенді 4, потім армокаркас 11 труби зчіплюють з армокаркасом 12 труби і лебідкою протягають дві труби і т.д.

У встановлені між суміжними колодязями труби-вкладиші протягають (рис. 7, б) рукав з м'якої оболонки 6, який потім заповнюють водою. Заповнений водою рукав слугує гідроопалубкою, перекриваючи всі стики трубопроводу вкладиша, і виконує роль додаткового вантажу.

Після відторцювання 9 міжтрубного зазору з боку колодязів №1 і №2 і встановлення в торці трубок (для нагнітання розчину, контролю і виходу повітря) цементаційним пересувним агрегатом 8 нагнітають цементний розчин у міжтрубний зазор 10 (рис. 7, в). Тиск розчину синхронно регулюється з тиском води в гідроопалубці.

На заключному етапі, після витримки і набору міцності армоцементного каменю, рукав гідроопалубки витягають “панчохою” за допомогою лебідки, і цикл відбудовних робіт повторюють на черговій ділянці, зокрема, колодязь №1 –